力与应变的测量与控制系统PPT学习课件

1、第四章力与应变的测量与控制系统第四章力与应变的测量与控制系统 力与应变的测量和控制在材料加工过程中的重要性： 1、在加工过程中利于控制加工的质量，保证构件的性能：焊接及冲压构件残余应力的测量，锻压及 压焊过程中压力的测量。 2、节约加工成本：通过对模具应变和应力状态的测试，可以改进模具结构，提高模具的使用寿命， 节约生产成本。 3、对于材料成形设备关键部位进行力与应变的测量，可以建立整机或部件的数学模型，进行综合 分析，为确定最佳的设计方案提供可靠的实验依据。 4、加工设备运行时，也可以通过生产现场的实时测量，对设备的运行状态进行识别、预测和监 视。 力与应变测量与控制系统概述力与应变测量与控

2、制系统概述 力与应变测量传感器力与应变测量传感器 力与应变测量和控制的应用力与应变测量和控制的应用 4.1 力与应变测量与控制系统概述 1.应力的定义：应力定义为“单位面积上所承受的力”。物体受外力作用后产生 一定的变形，因此物体内相临的两质点间的距离发生变化，物体内任一平面上 两直线的交角也发生变化，从而产生物体内质点与质点的相互作用力。 表 示应力。 2.应力的分类：应力可分为拉应力，压应力，张应力，缩应力，正应力，剪应力 等等。其中拉应力及压应力是我们在材料加工过程中经常接触的。 3. 拉应力：一个物体两端受拉，那么沿着它轴线方向的应力就是拉应力。拉应力就是 指使物体有拉伸趋势的应力。

3、4. 压应力：一个圆柱体两端受压，那么沿着它轴线方向的应力就是压应力。压应力就 是指使物体有压缩趋势的应力。单位面积上的压力就是压应力。 在材料专业中常接触到的，用来测量力与应变的力敏传感器以应变式、压阻式 、压电式、压磁式为主。 单位是 Pa 压应力F/A 5. 影响应力的因素 1）材料：当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这时应力也 将其受影响。 2）温度：材料由于温度变化所产生的热效应，称之为热应力。 3）压力：压力是支持面上所受到的并垂直于支持面的作用力，跟支持面面积大小无关。 4）时间：长时间反复施加于物体上使得物体发生疲劳,这时会产生疲劳应力。 对物体施

4、加力的大小随时间的变化时,那么就会产生动态应力。 5）位移：主要是指设备制定部位相对受压、受热、泄压、受冷之前的相对位置量的变化。 4.2 力与应变的测量传感器 电阻应变式测量力与变形的方法是在材料加工领域中使用最为普遍的一种非电量信号的电测法。方法 是：将应变片贴在受力件上，应变片与受力件表面同时发生变形，产生电阻的变化，通过测量电路即可 产生与变形成比例的模拟信号，最后换算成应变的大小。 取一根细电阻丝，记下其初 始阻值（图中为10.01）。当 我们用力将该电阻丝拉长时， 会发现其阻值略有增加（增加 到为10.05）。 设有一长度为、截面积为A、半径为r 、电阻率为 的金属单丝，它的电阻值

5、R 可表 示为 当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中、r、l都将发生变化， 从而导致电阻值R 发生变化。 例如 （1）金属丝受拉时，l 将变长、r 变小，均导致R变大； （2）某些半导体受拉时, 将变大，导致R 变大。 2 ll R Ar 实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量R R与材料力学中的轴向应变x 的关系在 很大范围内是线性的，即 x R K R K 电阻应变片的灵敏度电阻应变片的灵敏度 x 称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变 x 通常很小，在应变通常很小，在应变 测量中，也常将之称测量中，也常将之称 为微应变为微应变 对于不同的金

6、属材料，K 略微不同，一般为2左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应 变时，电阻率 会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。 2 34 1 电阻应变片结构示意图 b l 由敏感栅由敏感栅1、基底、基底2、盖片、盖片3、引线、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此， 应根据使用条件和要求合理地加以选择。应根据使用条件和要求合理地加以选择。 栅长 栅宽 应变片的结构与材料应变片的结构与材料 （1） 敏感栅 由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60、120、200等多种规格，以120最 为

7、常用。 对敏感栅的材料的要求： 应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数； 电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片； 电阻温度系数要小； 抗氧化能力高，耐腐蚀性能强； 在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度； 加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材； 易于焊接，对引线材料的热电势小。 对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。 （2） 基底和盖片 基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对 位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。 （3） 引线 是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数 小

8、、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线 （4） 粘结剂 用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘 结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给 应变计的基底和敏感栅。 常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙 烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂,聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸 、硼酸盐等。 用应变片测试应变时，将应变片粘 贴在试件表面。当试件受力变形后，应变 片上的电阻丝也随之变形，从而使应变片 电阻值发生变化，通过测量转换电路最终 转换成电压或电流的

9、变化。 应变片的种类应变片的种类 1、金属应变片（应变式压力传感器） （1）金属丝式 （2）箔式 （3）薄膜式 2、半导体应变片（压阻式压力传感器） 金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较大， 金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大 批量、一次性试验。 箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电 阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片与片基的接触面积大得多,散热条件较好, 在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。 还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以 及被

10、粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前 广泛用于各种应变式传感器中。 丝式应变片 丝式电阻片是用0.003mm-0.01mm的合金丝绕成栅状制成的； 箔式应变片箔式应变片 箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅, , 其厚度一般在其厚度一般在 0.0030.0030.01mm0.01mm。其优点是散热条件好。其优点是散热条件好, , 允许通过的电流较大允许通过的电流较大, , 可制成各种所需的形状可制成各种所需的形状 , , 便于批量生产。便于批量生产。 薄膜应变片薄膜应变片 薄膜应变片是

11、采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1m以下的 金属电阻薄膜的敏感栅, 最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大, 允许电流密 度大, 工作范围广。 半导体应变片 半导体应变片是用半导体材料制成的, 其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所 谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时, 其电阻率发生变化的现象。 半导体应变片的灵敏度特别高，但是对温度敏感. 应变片具有体积小、价格便宜、精度高、频率响应好等优点，被广泛应用于工应变片具有体积小、价格便宜、精度高、频率响应好等优点，被广泛应用于工 程测量及科学实验中。程测量及科学实验中。 斜拉桥上的斜拉绳应变测试 应变片的

12、测量电路应变片的测量电路 金属应变片的电阻变化范围很小，如 果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十 分困难，且误差很大。常利用桥式测量转 换电路将R /R转换为输出电压Uo。 1、桥式测量转换电路工作方式 单臂电桥 双臂电桥 四臂全桥 单臂电桥单臂电桥 R1为应变片 R2 、 R3、R4为固定电阻 。 双臂电桥双臂电桥 R1、 R2为应变片 R3、R4为固定电阻 应变片R1 、R2 感受到的应变12 以及产生的电阻增量正负号相间，可以使 输出电压Uo成倍地增大。 试件 四臂全桥四臂全桥 全桥的全桥的四个桥臂都为应变片四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受，如果设法使试件受 力后，应变片力后，应变片

13、R1 R4产生的电阻增量（或感受到的产生的电阻增量（或感受到的 应变应变 1 4）正负号相间，就可以使输出电压）正负号相间，就可以使输出电压Uo成成 倍地增大。上述三种工作方式中，倍地增大。上述三种工作方式中，全桥四臂工作方全桥四臂工作方 式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度 最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补 偿。偿。 3、 应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差及补偿 a. 应变片的温度误差应变片的温度误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差由于测量现场环境温度的改变而给

14、测量带来的附加误差, 称为应变片的温度误差。称为应变片的温度误差。 产生应变片产生应变片 温度误差的主要因素有温度误差的主要因素有: 应变片温度误差 电阻温度系数的影响 材料与应变片 膨胀系数不同 1) 电阻温度系数的影响电阻温度系数的影响 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示： Rt=R0（1+0t） 式中式中: Rt温度为温度为 t 时的电阻值时的电阻值; R0温度为温度为t0时的电阻值时的电阻值; 0金属丝的电阻温度系数金属丝的电阻温度系数; t温度变化值温度变化值, t=t -t0。 当温度变化当温度变化t时时, 电阻丝电阻的变

15、化值为电阻丝电阻的变化值为 Rt=Rt- R0= R00t 2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时, 不论环境温度如何变化不论环境温度如何变化, 电阻电阻 丝的变形仍和自由状态一样丝的变形仍和自由状态一样, 不会产生附加变形。不会产生附加变形。 当试件和电阻丝膨胀系数当试件和电阻丝膨胀系数 不同时不同时, 由于环境温度的变化由于环境温度的变化, 电阻丝会产生附加变形电阻丝会产生附加变形, 从而产生附加电阻。从而产生附加电阻。 2. 电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方

16、法 电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。 1) 线路补偿法线路补偿法 在应变片工作过程中在应变片工作过程中, 保证保证R3 =R4。 R1和和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数两个应变片应具有相同的电阻温度系数, 膨胀系数膨胀系数, 应变灵敏度系数应变灵敏度系数 K和初始电阻值和初始电阻值R0。 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样, 两者线膨胀两者线膨胀 系数相同。系数相同。 两应变片应处于同一温度场。两应变片应处于同一温度场

17、。 若实现完全补偿若实现完全补偿, 上述分析过程必须满足四个条件上述分析过程必须满足四个条件: 2) 应变片自补偿，巧妙的安装应变片 被拉伸 被压缩 应变片 试件 2. 确定中心线 4 应变片的粘贴应变片的粘贴 1. 去污：采用手持砂轮工具 除去构件表面的油污、漆、 锈斑等，并用细纱布交叉打 磨出细纹以增加粘贴力 ，用 浸有酒精或丙酮的纱布片或 脱脂棉球擦洗。 3.贴片：在应变片的表面和处 理过的粘贴表面上，各涂一 层均匀的粘贴胶 ，用镊子将 应变片放上去，并调好位置， 然后盖上塑料薄膜，用手指 揉和滚压，排出下面的气泡 。 4.接引线 引出导线要用柔软、不易老化的 胶合物适当地加以固定，以防

18、止导 线摆动时折断应变片的引线。然后 在应变片上涂一层柔软的防护层， 以防止大气对应变片的侵蚀，保证 应变片长期工作的稳定性。 应变片的应用应变片的应用力及压力传感器力及压力传感器 1 应变式力传感器应变式力传感器 1. 柱（筒）式力传感器柱（筒）式力传感器 被压缩 环式力传感器环式力传感器 环形力传感器环形力传感器 应变式应变式压力传感器压力传感器 应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力。如动力管应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力。如动力管 道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力变化道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力变化, 枪管及炮管内

19、部枪管及炮管内部 的压力、内燃机管道压力等。的压力、内燃机管道压力等。 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。 应变式力传感器 F F F F 各各 种种 悬悬 臂臂 梁梁 F F 固定点固定点 固定点固定点 电缆电缆 应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置 F R 1 R2 R 4 应变式荷重传感器外形及受力位置应变式荷重传感器外形及受力位置 FF 应变式荷重传感器外形及受力位置应变式荷重传感器外形及受力位置 F F 荷重传感器上 的应变片在重力 作用下产生变形。 轴向变短，径向 变长。 荷重传感

20、器原理演示荷重传感器原理演示 汽车衡汽车衡 汽车衡汽车衡称重系统称重系统 电子秤电子秤 磅秤 超市打印秤超市打印秤 远距离显示 电子天平电子天平 电子天平的精度可达十万分之一电子天平的精度可达十万分之一 人体秤人体秤 吊钩秤吊钩秤 便携式便携式 应变式数显扭矩扳手应变式数显扭矩扳手 可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧 固螺纹的装配扭矩。量程固螺纹的装配扭矩。量程2500N.m，耗电量，耗电量10mA，有公制，有公制/英制单位转换、峰值保英制单位转换、峰值保 持、自动断电等功能。持、自动断电

21、等功能。 应变式加速度传感器应变式加速度传感器 用于物体加速度的测量。用于物体加速度的测量。 依据：依据：a=F/m。 3 214 1 等 强 度 梁 ； 2 质 量 块 ； 3 壳 体 ； 4 电 阻 应 变 敏 感 元 体 电阻应变式加速度传感器结构图电阻应变式加速度传感器结构图 测量原理：测量原理： 将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度a 运动时，质量块受到一个与运动时，质量块受到一个与 加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬

22、臂梁上的应变片感受到并 随之产生应变，从而使应变片的电阻发生变化。电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平随之产生应变，从而使应变片的电阻发生变化。电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平 衡，从而输出电压，衡，从而输出电压， 即可得出加速度即可得出加速度a值的大小。值的大小。 适用范围：适用范围： 不适用于频率较高的振动和冲击场合，一般适用频率为不适用于频率较高的振动和冲击场合，一般适用频率为1060 Hz范围。范围。 压电效应压电效应 某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产 生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力 去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，

23、这种现象被称为压电效应。当 作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现 象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。 反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生 机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种 电能转化为机械能的现象称为电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应逆压电效应”或或“电致伸缩效应电致伸缩效应”。 压电效应的可逆性压电效应的可逆性 逆压电效应逆压电效应 电能电能 机械能机械能 正压电效

24、应正压电效应 压电单晶体有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性压电晶体(包括 酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等)；多晶体压电陶 瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁 酸铅压电陶瓷等。 如图所示为天然石英晶体， 其结构形状为一个六角形晶 柱，两端为一对称棱锥。 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应 如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于Z-Z、Y-Y、X-X 轴线。通常把沿电轴(X轴)方向的作用力产生的压电效应称为“纵向压电效应”， 把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴(Z 轴)方向的作用力不产生压电

25、效应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应。压电式 传感器主要是利用纵向压电效应。 3. 拉应力：一个物体两端受拉，那么沿着它轴线方向的应力就是拉应力。拉应力就是 指使物体有拉伸趋势的应力。 4. 压应力：一个圆柱体两端受压，那么沿着它轴线方向的应力就是压应力。压应力就 是指使物体有压缩趋势的应力。单位面积上的压力就是压应力。 在材料专业中常接触到的，用来测量力与应变的力敏传感器以应变式、压阻式 、压电式、压磁式为主。 单位是 Pa 压应力F/A （4） 粘结剂 用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘 结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构

26、件受力后的表面应变传递给 应变计的基底和敏感栅。 常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙 烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂,聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸 、硼酸盐等。 箔式应变片箔式应变片 箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅, , 其厚度一般在其厚度一般在 0.0030.0030.01mm0.01mm。其优点是散热条件好。其优点是散热条件好, , 允许通过的电流较大允许通过的电流较大, , 可制成各种所需的形状可制成各种所需的形状 , , 便于批量生产。便于批量生产。 半导体应变片 半导体应变片是用半导体材料制成的, 其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所 谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时, 其电阻率发生变化的现象。 1. 柱（筒）式力传感器柱（筒）式力传感器 反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生 机械变形或